miércoles, 15 de febrero de 2017

Control automático de temperatura de un horno industrial (control de combustión)



Control automático de temperature de un horno industrial de LPG
Para controlar la temperatura de un horno industrial que utiliza hidrocarburos, es necesario realizar un control de combustión, es decir, un control de la relación entre aire y gas para tener una combustión eficiente a la temperatura establecida.




Las caracteristicas del horno que controlaremos son:
  1. Combustible LPG
  2. Horno de 3 pasos.
  3. Ventilador de air de 5 HP.
  4. Ventilador extractor de 1 HP




Cálculo de la relación aire y gas



Para calcular la relación de aire/gas podemos utilizar la reacción estequimétrica general de un hidrocarburo


Captura de pantalla 2017-02-13 a las 8.01.43 PM.png
En este caso calcularemos la reacción estequiométrica del LPG que se compone de un 60% de propano (C3H8) y un 40% de butano (C4H10):


Masa molar del propano
Masa molar del propano.png
Masa molar del propano


Masa molar del butane
Masa molar del butano.png
Masa molar del butano


La proporción molar del LPG:


Sabiendo las proporciones del LPG podemos calcular su atomicidad:

Cálculo de atomicidad del LPG
Con el resultado anterior, tenemos que la reacción estequiométrica del LPG es:

Reacción Estequimétrica del LPG
De los 2 términos de la izquierda de la reacción estequiométrica podemos calcular la relación de aire/combustible:


Cálculo de la relación de aire y gas para el LPG
Para garantizar que la combustión de gas sea completa, suele considerarse un exceso de aire del 10% en la relación.


Calculo de la temperature promedio de los pasos del horno de acuerdo al flujo en cada paso


En nuestro caso el horno cuenta con tres pasos. Cada paso cuenta con termocuplas  para medir la temperatura. Como los pasos no son iguales y el flujo de combustible por cada uno de ellos es diferente se debe hacer un promedio de la temperatura del horno considerando el flujo en cada paso:

Cálculo de temperature promedio de acuerdo al peso de flujo por paso de un hono


Horno industrial de LPG de 3 pasos  con válvula de seguridad y reguladores de presión

A continuación se listan los dispositivos requeridos y el diagrama para el  control de temperatura del horno:
  1. Transmisor de oxígeno
  2. Transmisores de temperatura para cada paso
  3. Transmisores de flujo para cada paso y para el flujo de aire y gas.
  4. Válvulas de control de flujo de aire y gas.
  5. PLC o DCS para programar el control.



Diagrama de control del horno 3.png
Diagrama de control de temperature (control de combustion) de un horno LPG

Controlador de temperatura TIC-101



Este controlador calcula la temperatura promedio tomando en cuenta el aporte del flujo de combustible en cada paso del horno:
Flow weighted temp 2.png


Esta temperatura calcula será la variable de proceso (PV) del controlador TIC-101. La salida del controlador es escalada para convertirla al flujo equivalente de combustible y ser procesada por el control de combustion.
Temperature controller 4.png
Configuración de bloques funcionales de control de temperatura



Controlador de oxigeno  AIC-101

Este controlador recibe como PV la medición del sensor de oxígeno y la controla por medio de un PID para que el operador pueda establecer el valor deseado de oxígeno. La salida es escalada para tener un ajuste de oxígeno de ±20% para luego ser procesada por el control de combustión.
Oxygen controller 2.png
Configuración de bloques funcionales de control de oxígeno 

Control de combustion



El controlador de combustión consta de tres partes principales:
  1. Cálculo del SP para el controlador de combustible por medio del flujo de combustible equivalente al aire suministrado.
  2. Cálculo del SP para el controlador de aire por medio del flujo de aire equivalente al combustible suministrado o el flujo de aire equivalente a la temperatura suministrada.
  3. Enclavamientos para que ambos controles de flujo y aire estén en el modo correcto.


El cálculo del combustible equivalente de acuerdo a la cantidad de aire suministrada sería:

Fuel equiv air.png
Cálculo de combustible requerido para la combustión completa de acuerdo al aire suministrado



Hay que considerar cambios futuros en el sistema, por lo que es recomendable incluir en el cálculo del combustible equivalente una ganancia:

Fuel equiv air (bias gain).png
Cálculo de combustible requerido para la combustión completa considerando perturbaciones en el sistema  

Para determinar el Setpoint que se enviará al controlador de flujo de combustible FIC-106, se debe realizar una selección del menor entre la salida del controlador de temperatura (combustible equivalente de temperatura) o el combustible equivalente de aire.
FG Sp.png


El cálculo del aire equivalente de acuerdo a la cantidad de combustible suministrado sería:

Air equiv fuel.png
Cálculo de aire requerido para la combustión completa de acuerdo al combustible suministrado

Hay que considerar cambios futuros en el sistema, por lo que es recomendable incluir en el cálculo del aire equivalente una ganancia:
Air equiv fuel 2.png
Cálculo de aire requerido para la combustión completa considerando perturbaciones en el sistema

Si se requiere controlar el aire por la temperatura, el aire equivalente a la temperatura se calcula de la siguiente manera:
Air equiv temp.png
Cálculo de aire requerido de acuerdo con la temperatura

Para determinar el Setpoint que se enviará al controlador de flujo de aire FIC-105, se debe realizar una selección del mayor entre el aire equivalente al flujo de combustible o equivalente a la temperatura.

Air Sp 2.png

Enclavamientos para asegurar los modos de operacion del control de flujo de aire y gas

Es necesario asegurarse que el controlador de combustión esté actuando sobre el controlador de gas y aire al mismo tiempo, es decir, ambos en cascada. Si ese no es el caso entonces se aplican los siguientes interlocks.


Si el controlador de flujo de aire FIC-105 no esta en Cascada, es decir, no está recibiendo su SP del controlador de combustión, entonces el modo del controlador de gas FIC-106 será igual al del FIC-105.
Si el controlador de flujo de gas FIC-106 no esta en cascada, es decir, no está recibiendo su SP del controlador de combustión, entonces el modo del controlador de aire FIC-105 será igual al del FIC-106.


Controlader de flujo de aire FIC-105 


Este controlador recibe el PV del transmisor de flujo de aire FI-105. En modo cascada recibe el SP del controlador de combustion. La salida del PID controla la valvula de aire FV-105.


Controlader de flujo de combustible FIC-106 




Este controlador recibe el PV del transmisor de flujo de aire FI-106. En modo cascada recibe el SP del controlador de combustion. La salida del PID controla la valvula de combustible FV-106.

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